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ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール mmcon3誕生


1エレメント1モジュール独立分散型の理由


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ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール mmcon3の基盤技術

図1　mmcon3はエレメントごとに送受信器を独立して分散させることで，異なる位相遅延の信号をエレメント内で合成する6G対応のミリ波フェーズドアレイ送受信機．複数の変調波ビームを異なる方向に発射でき，柔軟なビーム制御が可能．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］加藤 隆志

独立分散型フェーズドアレイのメリット

mmcon3シリーズは，送受信器をエレメントごとに独立して分散させることで，異なる位相遅延の信号をエレメント内で合成する6G対応のミリ波フェーズドアレイ・システムです．$\theta_1$～$\theta_4$や$\phi_1$～$\phi_4$といった自由な位相設定を実現できます．複数の変調波ビームを異なる方向に発射でき，柔軟なビーム制御が可能です．

128エレメント化により，約+10dBの感度向上も期待できます．各エレメントに独立したロー・ノイズ・アンプ（LNA）を配置することで，信号電力は加算される一方，熱雑音は非相関であるため，ノイズ電力の増加は限定的です．この特性により，エレメント数が増加するほど信号対雑音比（S/N）が改善し，高感度通信が可能です．

ひずみ抑制と広帯域化の相乗効果

送信時の3次ひずみ（IM3）は隣接チャネルへの不要波放出の原因となり，規格制限に抵触する可能性があります．mmcon3では，エレメントごとに独立したパワーアンプ（PA）を配置することで，1チャネルあたりの出力電力を低減し，IM3の発生を大幅に抑制します．同じ電力条件下でも，1エレメント構成に比べて128エレメント構成では，IM3が42dB改善されることが確認されています．これにより，広帯域化によるひずみ増加の課題も同時に解決され，効率的な通信性能を維持可能です．

独立分散型フェーズドアレイの技術

1エレメント1モジュールの意義

mmcon3の独立分散型構造は，従来の集中型構造と一線を画します．各エレメントに送受信器やLNAを分散配置することで，任意の位相設定や異なる方向へのビーム発射を可能にします．この設計思想は，システム全体の柔軟性を向上させるだけでなく，複数エレメントの相互干渉を最小限に抑える役割も果たします．結果として，通信環境に応じた最適なビーム制御が実現し，多用途への応用が期待されています．

感度向上のカギ:LNAとS/Nの関係

フェーズドアレイにおける感度向上の要因として，LNAの雑音指数（NF）が挙げられます．NFはLNA内部の熱雑音によって悪化し，受信感度を制限する主因になります．しかし，mmcon3では，各LNAがエレメントごとに独立して配置されているため，ランダムな熱雑音が相殺され，合成出力のS/Nが改善されます．この効果は，エレメント数を増やすことで指数的に向上し，128エレメント構成では+10dB以上の感度改善が可能です．〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 1990年　無線通信機器メーカで設計開発．その後，計測器メーカでRF測定機器，半導体試験装置の設計開発
  • 2017年　フリーランスエンジニアとして独立，無線通信機器やSDR機器の受託開発
  • 2019年　株式会社ラジアンとして法人化，現在に至る

著書

  1. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.1　分散型マルチビーム無線機のハードウェア］，ZEPエンジニアリング．
  2. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.2　1エレメント1モジュール独立分散型の理由］，ZEPエンジニアリング．
  3. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.3　ソフトウェアによるマルチビーム制御の実験］，ZEPエンジニアリング．
  4. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.4　非接触共振カプラによるアレイ・チャネル拡張］，ZEPエンジニアリング．
  5. ［Webinar/KIT/data］Arm M4/M7/DSP×500MHz！STM32H7ハイスペック計測通信Module開発，ZEPエンジニアリング．
  6. 高感度受信！ソフトウェア無線機の心臓部“Root-Raised Cosine Filter”の設計，ZEPエンジニアリング．
  7. 超長距離無線LoRaからローカル5Gまで！GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
  8. 自宅で設計・開発！USBミクスト・シグナル・アナライザ Analog Discovery Pro 3000 誕生，ZEPエンジニアリング．
  9. 高精度基準搭載＆1GSPS広帯域！
  10. プロ用USBマルチ測定器 ADP5250誕生，ZEPエンジニアリング．
  11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.1]，ZEPエンジニアリング．
  12. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.2]，ZEPエンジニアリング．
  13. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.3]，ZEPエンジニアリング．
  14. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.4]，ZEPエンジニアリング．
  15. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.5]，ZEPエンジニアリング．
  16. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.6]，ZEPエンジニアリング．
  17. ，ZEPエンジニアリング．
  18. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.8]，ZEPエンジニアリング．
  19. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.9]，ZEPエンジニアリング．
  20. GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
  21. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ MkⅡ【z-mmcon2】（mz-mmcon1後継機），ZEPエンジニアリング．
  22. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ【mz-mmcon1】（生産終了，後継機 z-mmcon2），ZEPエンジニアリング．
  23. ［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ【mz-mmant1】，ZEPエンジニアリング．
  24. ［KIT］実験用800M～6GHz 広帯域90°ハイブリッド【mz-qhybrid】，ZEPエンジニアリング．
  25. ［KIT］実験用27.5G-29.5GHzバンド・パス・フィルタ【mz-mmbpf1】，ZEPエンジニアリング．
  26. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ【z-pptgen-on1】，ZEPエンジニアリング．

参考文献

  1. ［VOD］MATLAB/Simulink×FPGAで作るUSBスペクトラム・アナライザ，ZEPエンジニアリング．
  2. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング．
  3. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング．
  4. ［VOD/KIT］初めてのソフトウェア無線＆信号処理プログラミング 基礎編/応用編，ZEPエンジニアリング．
  5. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング．